張 辛

1．長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,湖北武漢 430010;2．武漢大學(xué)中國南極測繪研究中心,湖北武漢 430079

多源遙感數(shù)據(jù)在南極冰雪變化監(jiān)測中的應(yīng)用研究

張 辛1,2

1．長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,湖北武漢 430010;2．武漢大學(xué)中國南極測繪研究中心,湖北武漢 430079

南極獨(dú)特的地理環(huán)境和惡劣的自然條件給南極冰雪變化的系統(tǒng)研究帶來了種種限制,直到衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展為相關(guān)研究提供了新的技術(shù)與方法。然而,在南極冰雪環(huán)境快速變化的前提下,單一的遙感傳感器難以滿足人類對南極的持續(xù)監(jiān)測;因此,多源遙感數(shù)據(jù)在南極冰雪變化監(jiān)測中的應(yīng)用研究成為了南極科學(xué)研究與遙感技術(shù)研究雙雙發(fā)展的必然。

本文使用光學(xué)遙感影像、主動微波遙感影像及被動微波遙感影像等多源遙感數(shù)據(jù),分別在南極局部區(qū)域與全南極的整體范圍內(nèi)進(jìn)行了冰雪變化監(jiān)測的應(yīng)用研究。取得的主要研究成果包括以下幾個(gè)方面:

(1)使用250 m分辨率的MODIS影像鑲嵌圖數(shù)據(jù)(MOA),250 m分辨率的MODIS的L1B數(shù)據(jù)及150 m分辨率的Envisat－ASAR的Wide Swath數(shù)據(jù)進(jìn)行冰架監(jiān)測試驗(yàn)。提出了基于MOA的冰架基準(zhǔn)圖生成,基于相似性測度的影像匹配,以及基于閾值與分水嶺變換的圖像分割的系統(tǒng)的南極冰架變化的監(jiān)測方法。

(2)利用多時(shí)相的MODIS與Envisat-ASAR數(shù)據(jù),使用上述的冰架變化監(jiān)測方法,對全南極18個(gè)主要的冰架進(jìn)行了從2002年至2011年初的冰架變化分析;包括冰架的前端擴(kuò)展面積與擴(kuò)展速度統(tǒng)計(jì),冰架崩解量的計(jì)算,冰架裂隙的監(jiān)測等。然后,根據(jù)冰架變化特征將南極冰架系統(tǒng)分為擴(kuò)張為主的冰架、崩解為主的冰架,以及擴(kuò)張與崩解都明顯的冰架這三大類別。進(jìn)一步總結(jié)了冰架變化規(guī)律與變化趨勢:崩解變化為主的冰架均處于西南極地區(qū),并主要集中在南極半島區(qū)域;擴(kuò)展變化為主的冰架主要集中在東南極區(qū)域;南極三大冰架的擴(kuò)展變化較為明顯,其中Amery冰架預(yù)計(jì)在近十年間發(fā)生較大崩解。

(3)綜合近年間變化顯著的南極冰架、冰川與冰舌等,分析了2002年至2011年初各年段的南極海岸線變化情況,并綜合使用全南極海岸線對比圖與南極海岸線變化量統(tǒng)計(jì)表,對近10年間的南極海岸線變化情況進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。結(jié)果表明近10年間的南極海岸線總體上呈擴(kuò)展變化,海岸線擴(kuò)展增加總量為5878 km2;南極海岸線范圍變化的90%以上來源于南極冰架的擴(kuò)展與崩解變化量。此外,將動態(tài)海岸線數(shù)據(jù)應(yīng)用于南極海冰監(jiān)測,也進(jìn)一步提高了海冰監(jiān)測精度。

(4)使用MODIS在近紅外光譜范圍內(nèi)的第2波段與第5波段的組合,改進(jìn)NDSI歸一化雪被指數(shù)海冰提取方法中云干擾的問題,提出了晴空下海冰提取的新方法;進(jìn)一步地,結(jié)合波段比值法與水汽含量法,提出了MOIDS薄云與厚云的分類方法,并仍使用MODIS第2波段與第5波段的組合實(shí)現(xiàn)薄云下海冰的提取;此外,在極夜期間也總結(jié)了MODIS紅外波段進(jìn)行云檢測及海冰提取的方法?？傮w上,形成了MODIS提取南極海冰的完整的方法體系。使用該方法在東南極普里茲灣的進(jìn)行區(qū)域性試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果得到了NASA海冰產(chǎn)品的驗(yàn)證。

(5)使用新的MODIS海冰提取方法,輔助性地結(jié)合AMSR－E亮溫極化差海冰提取方法,進(jìn)行了2002年至2010年全南極每月海冰范圍的提取,影像分辨率達(dá)1 km,高于現(xiàn)存的全南極海冰范圍影像數(shù)據(jù)。對近年間的海冰范圍與海冰面積數(shù)據(jù)進(jìn)行了季節(jié)變化與年際變化的系統(tǒng)研究,對南極海冰變化規(guī)律與變化趨勢給出了新的分析。結(jié)果表明,南極海冰的季節(jié)變化表現(xiàn)為從每年的2月至9月經(jīng)歷約7個(gè)月的凍結(jié)階段,再從9月至第二年2月經(jīng)歷約5個(gè)月的消融時(shí)段;即南極海冰消融速度比凍結(jié)速度快,與前人的研究結(jié)果一致。而近年間全南極海冰的年際變化可分為3個(gè)階段:從2002年至2004年海冰沒有明顯的增減變化,2005年至2007年海冰明顯減少,2008年至2010年海冰處于增長趨勢中;這印證了南極海冰20年長周期的推斷。但近9年的全南極海冰總量并沒有明顯的趨勢性變化規(guī)律。

(6)利用MODIS的250 m分辨率的第1波段與第2波段數(shù)據(jù),使用新的藍(lán)冰映射方法取代常規(guī)的NDSI提取方法,在東南極格羅夫藍(lán)冰區(qū)成功提取了2000—2001年、2002—2003年、2009—2010年3個(gè)年段的藍(lán)冰分布,并總結(jié)了該區(qū)域藍(lán)冰面積季節(jié)性的變化規(guī)律。然后利用Landsat系列傳感器MSS、TM及ETM＋分別在1974年、1990年及2001年的格羅夫影像數(shù)據(jù),使用監(jiān)督分類的方法也提取了相應(yīng)的藍(lán)冰分布,并在之后的年際變化分析中得到了藍(lán)冰邊緣線有東移現(xiàn)象的結(jié)論。

(7)使用全南極MODIS影像鑲嵌圖,結(jié)合MODIS第1波段的灰度閾值與第1、2兩波段生成的地表顆粒尺寸影像的閾值,進(jìn)行了全南極藍(lán)冰的提取與分類研究。試驗(yàn)先在格羅夫藍(lán)冰區(qū)利用已獲取的藍(lán)冰分布數(shù)據(jù)校準(zhǔn)MOA藍(lán)冰提取方法,再在毛德皇后地區(qū)使用已有的研究結(jié)論校準(zhǔn)MOA藍(lán)冰分類方法,最終得到了可信度較高的全南極藍(lán)冰分類分布圖與相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù):全南極風(fēng)蝕型藍(lán)冰面積為(91 865±18 373)km2,消融型藍(lán)冰面積為(96 992± 19 398)km2,藍(lán)冰總面積為(188 857±37 771)km2。

The Monitoring of Antarctic Snow and Ice Changes from the Multiple-sources Remote Sensing Data

ZHANG Xin1,2
1．Changjiang Institute of Survey,Planning,Design and Research,Wuhan 430010,China;2．Chinese Antarctic Center of Surveying and Mapping,Wuhan University,Wuhan 430079,China

ANG Xin(1983—),male,

his doctoral degree from Wuhan Universtiy on December 2011,majors in geodetic surveying and remote sensing application．

P237

D

1001-1595(2014)04-0437-01

2014-02-23

張辛(1983—),男,2011年12月獲武漢大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位(指導(dǎo)教師:鄂棟臣教授),主要從事大地測量與遙感應(yīng)用研究。

ZHANG Xin．The Monitoring of Antarctic Snow and Ice Changes from the Multiple-sources Remote Sensing Data[J]．Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2014,43(4):437．(張辛．多源遙感數(shù)據(jù)在南極冰雪變化監(jiān)測中的應(yīng)用研究[J]．測繪學(xué)報(bào),2014,43(4): 437．)

10．13485/j．cnki．11-2089．2014．0083

國家863計(jì)劃專題課題(2009AA12Z133);國家自然科學(xué)基金(41076126;41376187)．

E-mail:zsimba＠163．com